中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳彥教授團(tuán)隊(duì)在非接觸心臟活動感知研究領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。研究團(tuán)隊(duì)首次發(fā)現(xiàn)并利用心臟機(jī)械活動諧波中的“拍頻效應(yīng)”這一重要物理現(xiàn)象，成功克服了遠(yuǎn)場條件下由呼吸運(yùn)動引起的大數(shù)量級干擾。在無需任何模型訓(xùn)練的情況下，他們利用毫米波雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高精度的非接觸人體心臟活動監(jiān)測。這項(xiàng)研究成果標(biāo)志著非接觸心臟監(jiān)測技術(shù)邁入新階段，為心血管疾病的早期預(yù)防與長期監(jiān)測提供了創(chuàng)新解決方案。相關(guān)研究成果以“Monitoring Long-term Cardiac Activity with Contactless Radio Frequency Signals”為題，于12月5日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）上。

心血管疾病是全球第一大致死疾病，每年約有1790萬人因此失去生命。在我國，隨著人口老齡化的加劇，心血管疾病的發(fā)病率與致死率均居世界前列。研究表明，許多早發(fā)心血管疾病可以通過及時診斷和治療來有效預(yù)防。因此，長期連續(xù)的心臟活動監(jiān)測對疾病的早期發(fā)現(xiàn)至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有心臟監(jiān)測技術(shù)多為接觸式測量，例如傳統(tǒng)的心電圖設(shè)備需要在體表貼附多個電極，可穿戴設(shè)備則常基于光電容積描記法（PPG）。這些方法由于舒適性不足、對使用環(huán)境敏感等原因，難以實(shí)現(xiàn)長期連續(xù)的心臟活動監(jiān)測，從而可能錯過心血管疾病診斷和治療的最佳時期。

圖一：非接觸心臟活動監(jiān)測系統(tǒng)。圖片來源：中國科大

近年來，毫米波雷達(dá)技術(shù)被應(yīng)用于心臟活動監(jiān)測，展現(xiàn)出非接觸、便捷和高精度的潛力。然而，技術(shù)發(fā)展仍面臨“呼吸譜泄漏”這一重大挑戰(zhàn)。由于呼吸幅度（厘米級）遠(yuǎn)大于心跳幅度（亞毫米級），呼吸諧波在心跳頻段產(chǎn)生顯著的頻譜泄漏，導(dǎo)致信干噪比嚴(yán)重下降，限制了心臟活動監(jiān)測的精度。

對此，研究團(tuán)隊(duì)通過系統(tǒng)性分析，發(fā)現(xiàn)了兩個重要的物理現(xiàn)象，從而成功破解這一難題。首先，研究團(tuán)隊(duì)觀察到呼吸諧波比心跳諧波衰減更快，尤其在高頻段，呼吸干擾的影響顯著減弱。其次，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)心跳諧波中存在“拍頻效應(yīng)”，即高階心跳諧波疊加會產(chǎn)生與心跳周期一致的拍頻特征，其頻率等于相鄰諧波頻率之差。

基于這兩大發(fā)現(xiàn)，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地將心跳特征提取頻段從基頻轉(zhuǎn)移到高階諧波頻段（約10倍頻），從而有效消除了呼吸諧波的干擾，顯著提升了監(jiān)測精度。在包括6222名參與者的大規(guī)模醫(yī)院場景和長達(dá)21個夜晚的日常生活場景中，系統(tǒng)取得了26.1毫秒和34.1毫秒的中位誤差，充分驗(yàn)證了其醫(yī)學(xué)應(yīng)用價值。

這一研究突破為毫米波雷達(dá)在心臟活動監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)，在使用過程中，被測者不需要佩戴電極也不需要去除衣物，以無感的方式完成長期持續(xù)的心臟活動監(jiān)測，展現(xiàn)出廣闊的臨床應(yīng)用前景。

圖二：監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用場景和部分結(jié)果展示。圖片來源：中國科大

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院博士后張賓賓為文章的第一作者；陳彥教授為文章的通訊作者；中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)附屬第一醫(yī)院馬禮坤教授、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)孫啟彬研究員、胡洋副教授、張東恒副研究員、李亞東、盧智、陳金波、王浩宇、周放、濮玉等為文章的共同作者；學(xué)校賦權(quán)企業(yè)合肥中科知奇信息科技有限公司為文章合作單位。相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部、安徽省和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的經(jīng)費(fèi)資助。

參考資料：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55061-9